Осмотическое давление в природе и жизни человека

Действие осмотического давления соответствует знаменитому принципу Ле Шателье и второму закону термодинамики: биологическая система в данном случае стремится выровнять концентрацию веществ в растворе в двух средах, которые разделяет полупроницаемая мембрана.

Что такое осмотическое давление

Под осмотическим давлением понимают гидростатическое давление, которое воздействует на растворы. При этом сами жидкости должны быть разделены полупроницаемой мембраной. В подобных условиях через мембрану процессы диффузионного растворения не идут.

Полупроницаемыми называют мембраны, проницаемость которых высока лишь для определенных веществ. Примером полупроницаемой мембраны может служить пленка, которая прилегает к яичной скорлупе изнутри. Она задерживает молекулы сахара, но не препятствует движению молекул воды.

Цель осмотического давления – создание баланса между концентрациями двух растворов. Средством достижения такой цели становится молекулярная диффузия между растворителем и растворенным веществом. В записях давление данного типа обычно обозначают буквой «пи».

Явление осмоса имеет место в тех средах, где подвижные свойства растворителя превышают таковые у растворенных веществ.

Свойства осмотического давления

Осмотическое давление характеризуется свойством тоничности, которое считается его градиентной мерой. Речь идет о потенциале различия между парой растворов, которые отделены друг от друга мембраной полупроницаемого типа.

Вещество, которое в сравнении с другим раствором имеет более существенный показатель осмотического давления, называют гипертоническим раствором. Гипотонический раствор имеет низкий показатель осмотического давления. Поместите подобный раствор в замкнутое пространство (к примеру, в кровяную клетку) – и вы увидите, как осмотическое давление разорвет мембрану клетки.

Когда в кровь вводят лекарства, они в самом начале смешиваются с изотоническим раствором. Чтобы осмотическое давление клеточной жидкости было уравновешенным, хлорид натрия в растворе должен содержаться в определенной пропорции. Если бы лекарства изготавливали на основе воды, осмотическое давление разрушало бы кровяные клетки. При создании растворов с большой концентрацией веществ вода будет вынуждена покидать клетки – в итоге они станут сжиматься.

В отличие от животных клеток, в растительных под действием давления их содержимое подвергается отрыву от оболочки. Это явление именуют плазмолизом.

Взаимосвязь между раствором и осмотическим давлением

Химическая природа веществ, содержащихся в растворе, не оказывает влияния на величину осмотического давления. Этот показатель определяется количеством вещества в растворе. Осмотическое давление станет расти с увеличением в растворе активных веществ.

Так называемое онкотическое осмотическое давление зависит от количества содержащихся в растворе белков. При длительном голодании или заболевании почек уровень концентрации белков в организме понижается. Вода из тканей переходит в сосуды.

Условием для создания осмотического давления являются наличие полупроницаемой мембраны и присутствие с двух ее сторон растворов. При этом концентрация их должна быть различной. Клеточная мембрана способна пропускать частички определенных размеров: к примеру, через нее может пройти молекула воды.

Если использовать специальные материалы, обладающие способностью разделения, можно отделять друг от друга компоненты смесей.

Значение осмотического давления для биологических систем

Если биологическая структура содержит перегородку полупроницаемого типа (тканевую или клеточную оболочку), то постоянный осмос станет создавать чрезмерное гидростатическое давление. Становится возможным гемолиз, при котором происходит разрыв оболочки клетки. Противоположный процесс наблюдается, если клетку поместить в концентрированный раствор соли: содержащаяся в клетке вода проникнет через мембрану в солевой раствор. Результатом станет сморщивание клетки, она утрачивает стабильное состояние.

Поскольку мембрана проницаема лишь для частиц определенного размера, она способна выборочно пропускать вещества. Допустим, вода через мембрану проходит свободно, тогда как молекулам этилового спирта сделать это не удастся.

Примерами самых простых мембран, через которые проходит вода, но не проходят многие другие растворенные в воде вещества, могут служить:

• пергамент;
• кожа;
• специфические ткани растительного и животного происхождения.

Механизм осмоса определяется в организмах животных природой самих мембран. Иногда мембрана функционирует по принципу решета: задерживает большие частицы и не препятствует движению малых. В иных случаях через мембрану способны проходить молекулы лишь определенных веществ.

Осмос и связанное с ним давление играют чрезвычайно важную роль в развитии и функционировании биологических систем. Постоянный перенос воды внутрь клеточных структур обеспечивает упругость тканей и их прочность. С различиями в проницаемости тканей для воды прямым образом связаны процессы усвоения пищи и обмен веществ.

Осмотическое давление служит механизмом, посредством которого в клетки подаются нутриенты. У высоких деревьев биологически активные элементы за счет осмотического давления поднимаются на высоту до нескольких десятков метров. Предельная высота растений в земных условиях определяется в том числе и показателями, которые характеризуют осмотическое давление.

Почвенная влага вместе с питательными веществами подается в растения благодаря осмотическим и капиллярным явлениям. Осмотическое давление в растениях может достигать 1,5 мПа. Более низкие показатели давления имеют корни растений. Увеличение осмотического давления от корней к листьям чрезвычайно важно для движения соков по растению.

Осмос регулирует подачу воды в клетки и межклеточные структуры. Благодаря осмотическому давлению сохраняется вполне определенная форма органов.

Биологические жидкости человека – это водные растворы низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений, полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот. Осмотическое давление в системе определяется совокупным действием этих компонентов.

К биологическим жидкостям относятся:

• лимфа; 
• кровь;
• тканевые жидкости.

При медицинских процедурах следует использовать растворы, которые содержат те же компоненты, которые включены в состав крови. И в тех же количествах. Растворы такого типа нашли широкое применение в хирургии. Однако в кровь человека или животных в значительных количествах можно вводить лишь изотонические растворы, то есть те, которые достигли равновесия.

При 37 градусах Цельсия осмотическое давление человеческой крови составляет примерно 780 кПа, что соответствует 7,7 атм. Допустимые и безвредные колебания осмотического давления несущественны и даже в случае тяжелой патологии не превышают некоторых минимальных значений. Объясняется это тем, что организм человека характеризуется гомеостазом – постоянством физических и химических показателей, влияющих на жизнедеятельность.

Осмос широко применяется в медицинской практике. В хирургии давно и успешно используют гипертонические повязки. Смоченная в гипертоническом растворе марля помогает справляться с гнойными ранами. В соответствии с законом осмоса жидкость из раны направляется наружу. В итоге рана постоянно очищается от продуктов распада.

Хорошим примером «осмотического прибора» могут служить почки человека и животных. В этот орган из крови поступают продукты обмена. В мочу из почек посредством осмоса проникает вода и мельчайшие ионы, которые возвращаются через мембрану в кровь.